JWST e Hubble indicam que galáxias anãs podem ter acendido o amanhecer cósmico

A pergunta sobre o que acendeu as primeiras “luzes” do Universo sempre foi um dos grandes mistérios do amanhecer cósmico. Agora, um novo conjunto de evidências aponta para uma resposta bem menos óbvia do que buracos negros gigantes ou galáxias monstruosas.

Dados dos telescópios espaciais Hubble e James Webb (JWST) indicam que os fótons livres que começaram a atravessar o Universo primordial vieram de pequenas galáxias anãs, que entraram em atividade e ajudaram a dissipar a névoa de hidrogênio que preenchia o espaço entre as galáxias. Um artigo sobre a pesquisa foi publicado em fevereiro de 2024.

"Esta descoberta revela o papel crucial desempenhado por galáxias ultratênues na evolução do Universo primitivo", disse a astrofísica Iryna Chemerynska, do Institut d'Astrophysique de Paris.

"Eles produzem fótons ionizantes que transformam hidrogênio neutro em plasma ionizado durante a reionização cósmica. Isso destaca a importância de entender galáxias de baixa massa na formação da história do Universo."

No começo do Universo, minutos após o Big Bang, o espaço estava tomado por uma névoa quente e densa de plasma ionizado. A pouca luz que existia não conseguia atravessar esse “muro”; os fótons se espalhavam ao bater nos elétrons livres, deixando o Universo efetivamente escuro.

Com o resfriamento do Universo, cerca de 300.000 anos depois, prótons e elétrons começaram a se combinar, formando gás de hidrogênio neutro (e um pouco de hélio).

A maioria dos comprimentos de onda da luz conseguia atravessar esse meio neutro, mas havia pouquíssimas fontes luminosas para produzi-la. Ainda assim, foi desse hidrogênio e hélio que nasceram as primeiras estrelas.

Essas primeiras estrelas emitiram radiação intensa o bastante para arrancar elétrons de seus núcleos e reionizar o gás. Só que, nesse ponto, o Universo já tinha se expandido tanto que o gás ficou difuso demais para impedir a luz de se propagar.

Por volta de 1 bilhão de anos após o Big Bang, no fim do período chamado amanhecer cósmico, o Universo já estava totalmente reionizado. Pronto: as luzes estavam acesas.

O problema é que esse período é cheio de “neblina” e, além de muito fraco, está extremamente distante no tempo e no espaço - o que sempre dificultou enxergar o que realmente havia ali.

Por isso, muitos cientistas apostavam que a maior parte da limpeza teria vindo de fontes muito poderosas - por exemplo, buracos negros enormes cujo acreção gera um brilho intenso, e grandes galáxias em plena formação estelar (estrelas recém-nascidas produzem muita luz UV).

O JWST foi projetado, em parte, para espiar esse amanhecer cósmico e tentar revelar o que estava escondido. E ele vem tendo enorme sucesso, trazendo surpresas sobre essa fase decisiva da formação do Universo. De forma inesperada, as observações do telescópio agora sugerem que as galáxias anãs são a peça-chave na reionização.

Uma equipe internacional liderada pelo astrofísico Hakim Atek, do Institut d'Astrophysique de Paris, analisou dados do JWST sobre um aglomerado de galáxias chamado Abell 2744, complementados por observações do Hubble.

O Abell 2744 é tão denso que deforma o espaço-tempo ao seu redor, criando uma lente cósmica; qualquer luz distante que chega até nós atravessando essa região é ampliada. Isso permitiu aos pesquisadores observar galáxias anãs minúsculas próximas ao amanhecer cósmico.

Em seguida, eles usaram o JWST para obter espectros detalhados dessas pequenas galáxias. A análise mostrou que, além de serem o tipo de galáxia mais comum no Universo inicial, elas são muito mais brilhantes do que se imaginava.

Na prática, o estudo indica que galáxias anãs superam as grandes numa proporção de 100 para 1, e que sua emissão total equivale a quatro vezes a radiação ionizante normalmente atribuída às galáxias maiores.

"Essas potências cósmicas, em conjunto, emitem energia mais do que suficiente para fazer o trabalho", disse Atek.

"Apesar do tamanho diminuto, essas galáxias de baixa massa produzem radiação energética em grande quantidade, e sua abundância nesse período é tão significativa que seu efeito coletivo pode transformar o estado do Universo inteiro."

É a evidência mais forte até agora sobre a força por trás da reionização, mas ainda há etapas a cumprir. Os pesquisadores analisaram uma pequena região do céu; agora precisam confirmar que a amostra não é apenas um aglomerado anômalo de galáxias anãs, e sim algo representativo de toda a população do amanhecer cósmico.

A ideia é estudar mais regiões com lentes cósmicas para obter uma amostra maior das populações galácticas iniciais. Mesmo com apenas esse conjunto de dados, os resultados são empolgantes. Cientistas buscam respostas sobre a reionização desde que sabemos que ela existiu. Estamos perto de, finalmente, varrer essa névoa.

"Agora entramos em território desconhecido com o JWST", disse a astrofísica Themiya Nanayakkara, da Swinburne University of Technology, na Austrália.

"Este trabalho abre questões ainda mais empolgantes que precisamos responder em nossos esforços para mapear a história evolutiva das nossas origens."

A pesquisa foi publicada na Nature.

Uma versão deste artigo foi publicada originalmente em março de 2024.